Теорията на струните - основни елементи

Пет важни идеи са заложени в основата на теорията на струните. Да се запознаем с тези ключови елементи в разделите по-долу. 

Струни и мембрани 

От първоначалното разработване на теорията през 70-те години на миналия век, нишките - носители на енергия в струнната теория се считат за 1- мерни обекти: струни (едномерен означава, че струната има само едно измерение, дължина, за разлика от квадрата, който две измерения - дължина и широчина).

Струните съществуват в две форми - затворени струни и отворени струни. Отворената струна има краища, които не се допират помежду си, докато затворена струна е една линия, без отворен край. В крайна сметка е установено, че тези ранни струни, наречени струни тип I, могат да участват в пет основни вида взаимодействия, както е показано тази долната фигура.

Струните тип I участват в тези фундаментални взаимодействия чрез различни начини за свързване и разделяне. Взаимодействията се основават на способността на струните да имат краища, с които да се свързват и да се разделят. Не е възможно да се изгради теорията на струните без затворени струни. Това се оказа важно, защото затворените струни имат свойства, които накараха физиците да смятат, че вместо да бъде просто теория на частиците на материята, теорията на струните може да обясни гравитацията и поведението на частици.

През годините след откриването й се оказа, че теорията изисква съществуването на обекти, различни от струните. Тези обекти могат да бъдат разглеждани като мембрани, или брани. Струните могат да се закрепят в единия или двата края на тези мембрани. Една двуизмерна брана (наречена 2-брана) е показана на долните фигури.

Съгласно теорията струните се прикрепват към мембрани. 

Квантовата гравитация

Съвременната физика има два основни научни закона: квантовата физика и теорията на относителността. Тези два закона представляват радикално различни области на познанието. Квантовата физика изучава много малките обекти в природата, а относителността е склонна да изучава природата по скалата на планетите, галактиките и Вселената като цяло. Днес най – обещаваща сред обединителните теории, известни като квантова гравитация, е струнната теория.

Обединение на силите

Струнната теория се опитва да обедини четирите взаимодействия във Вселената - електромагнитното, силното ядрено взаимодействие, слабото ядрено взаимодействие и гравитационното - заедно в една единна теория. В нашата Вселена, тези основни сили имат четири различни проявления, но струнните теоретици смятат, че в ранната Вселена (когато са съществували невероятно високи нива на енергия) тези сили се описват от струни, взаимодействащи помежду си.

Суперсиметрията 

Всички частици във Вселената могат да бъдат разделени на два типа: бозони и фермиони. Бозони са отговорни за различните типове природни взаимодействия. Фермионите са частици на материята. Струнната теория предсказва, че съществува връзка, наречена суперсиметрия, между тези два вида частици. Според суперсиметрията е задължително един фермион да съществува за всеки бозон и обратно. За съжаление, експериментите, все още не са открили тези допълнителни частици.

Суперсиметрията е специфична математическа връзка между някои елементи на физичните уравнения. Тя е била открита извън струнната теория, като присъединяването й към нея трансформира теорията в суперсиметричната струнна теория (или теория на суперструните). Суперсиметрията значително опростява уравнения на струнната теория, като способства за премахването на някои условия. Без суперсиметрията, уравненията довеждат до физически несъответствия, като безкрайни стойности и въображаеми енергийните нива.

Тъй като учените не са наблюдавали частиците предсказани от суперсиметрията, тя все още е теоретична хипотеза. Много физици смятат, че причината никой да не е наблюдавал тези частици е нуждата от много енергия, за да бъдат те генерирани. (Според известното уравнение на Айнщайн, E = mc², енергията е свързана с масата, т.е. нужна е енергия, за да се създаде една такава частица.) Те може да са съществували в ранната Вселена, но когато тя се е охладила и енергия се разсеяла след Големия взрив, тези частици са преминали в ниски енергийни състояния, които наблюдаваме днес. Учените се надяват, че астрономическите наблюдения или експериментите с ускорители на частици ще разкрият някои от тези по-високи енергийни суперсиметрични частици и така ще осигурят подкрепа за това предсказание на теорията на струните. 

Допълнителни измерения 

Друг математически резултат на струнната теория е, че теорията има смисъл само в един свят с повече от три пространствени измерения! (Нашата Вселена има три измерения на пространството - ляво / дясно, нагоре / надолу, и напред / назад.) Понастоящем съществуват две възможни обяснения за местоположението на допълнителните измерения:

• Допълнителните измерения на пространството (общо шест от тях) са свити (уплътнени, в терминология на теорията на струните) до невероятно малки размери, така че ние никога не ги възприемаме.

• Ние се намираме в капана на 3-измерна брана, като допълнителните измерения се простират на разстояние от нея и са недостъпни за нас.

Основната област на изследвания сред теоретиците на струните са математически модели за това как тези допълнителни измерения могат да бъде свързани с нашите собствени измерения. Някои последни резултати прогнозират, че учените може скоро да са в състояние да открият тези допълнителни измерения (ако има такива) в предстоящите експерименти, защото те могат да бъдат по-големи от очакваното.

Източник: Andrew Zimmerman Jones and Daniel Robbins from String Theory For Dummies